ECG อัตโนมัติอย่างง่าย (1 แอมพลิฟายเออร์, 2 ฟิลเตอร์): 7 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) วัดและแสดงกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจโดยใช้อิเล็กโทรดต่างๆ ที่วางอยู่บนผิวหนัง สามารถสร้าง ECG ได้โดยใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ ตัวกรองรอยบาก และตัวกรองความถี่ต่ำ สุดท้ายนี้ สามารถมองเห็นสัญญาณที่กรองและขยายได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ LabView LabView ยังใช้ความถี่ขาเข้าของสัญญาณเพื่อคำนวณการเต้นของหัวใจของบุคคล แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่สร้างขึ้นประสบความสำเร็จในการรับสัญญาณขนาดเล็กของร่างกายและขยายเป็น 1 V ดังนั้นจึงสามารถดูได้บนคอมพิวเตอร์โดยใช้ LabView ตัวกรองรอยบากและความถี่ต่ำประสบความสำเร็จในการลดสัญญาณรบกวน 60 Hz จากแหล่งจ่ายไฟและรบกวนสัญญาณที่สูงกว่า 350 Hz การเต้นของหัวใจขณะพักวัดได้ 75 bpm และ 137 bpm หลังจากออกกำลังกายอย่างหนักห้านาที ECG ที่สร้างขึ้นสามารถวัดการเต้นของหัวใจด้วยค่าที่เหมือนจริงและเห็นภาพองค์ประกอบต่างๆ ของรูปคลื่น ECG ทั่วไป ในอนาคต ECG นี้สามารถปรับปรุงได้โดยการเปลี่ยนค่าแบบพาสซีฟในตัวกรองรอยบากเพื่อลดสัญญาณรบกวนมากขึ้นประมาณ 60 Hz

ขั้นตอนที่ 1: สร้างเครื่องมือขยายสัญญาณ

คุณจะต้องการ: LTSpice (หรือซอฟต์แวร์สร้างภาพวงจรอื่น)

แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดถูกสร้างขึ้นเพื่อเพิ่มขนาดของสัญญาณเพื่อให้มองเห็นได้และช่วยให้สามารถวิเคราะห์รูปคลื่นได้

โดยใช้ R1 = 3.3k ohms, R2 = 33k ohms, R3 = 1k ohms, R4 = 48 ohms จะได้รับ X กำไร = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3.3k)) = -1008

เนื่องจากใน op amp สุดท้าย สัญญาณจะเข้าสู่ inverting pin อัตราขยายคือ 1008 การออกแบบนี้ถูกสร้างขึ้นใน LTSpice จากนั้นจึงจำลองด้วย AC กวาดจาก 1 ถึง 1kHz ด้วย 100 จุดต่อทศวรรษสำหรับอินพุตคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูด AC 1V.

เราตรวจสอบแล้วว่ากำไรของเรานั้นเป็นกำไรที่ตั้งใจไว้เหมือนกัน จากกราฟเราพบว่า Gain = 10^(60/20) = 1,000 ซึ่งใกล้เคียงกับกำไรที่เราตั้งใจไว้ที่ 1008 พอสมควร

ขั้นตอนที่ 2: สร้างตัวกรองรอย

คุณจะต้องการ: LTSpice (หรือซอฟต์แวร์สร้างภาพวงจรอื่น)

ตัวกรองรอยบากเป็นตัวกรองความถี่ต่ำประเภทหนึ่ง ตามด้วยตัวกรองความถี่สูงเพื่อขจัดความถี่เฉพาะ ตัวกรองรอยบากใช้เพื่อขจัดเสียงรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดซึ่งมีอยู่ที่ 60Hz

คำนวณค่าแบบพาสซีฟ: C =.1 uF (เลือกค่า) 2C =.2 uF (ใช้ตัวเก็บประจุ.22 uF)

จะใช้ค่า AQ เท่ากับ 8 R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1.66 kOhm (1.8 kOhm) ถูกใช้) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm was ใช้แล้ว) การแบ่งแรงดันไฟฟ้า: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1.8 kOhm * 423 kOhm / (1.8 kOhm + 423 kOhm) = 1.79 kOhm (ใช้ 1.8 kOhm)

การออกแบบตัวกรองนี้มีอัตราขยาย 1 ซึ่งหมายความว่าไม่มีคุณสมบัติการขยายเสียง

การเสียบค่าพาสซีฟและการจำลองบน LTSpice ด้วย AC Sweep และสัญญาณอินพุตที่เป็นคลื่นไซน์ 0.1 V ที่มีความถี่ AC 1 kHz ส่งผลให้เกิดพล็อตลางบอกเหตุที่แนบมา

ที่ความถี่ประมาณ 60 Hz สัญญาณจะถึงแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ตัวกรองประสบความสำเร็จในการขจัดเสียงรบกวน 60 Hz ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่มองไม่เห็นที่ 0.01 V และให้อัตราขยาย 1 เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ.1 V

ขั้นตอนที่ 3: สร้างตัวกรองความถี่ต่ำ

คุณจะต้องการ: LTSpice (หรือซอฟต์แวร์สร้างภาพวงจรอื่น)

ตัวกรองความถี่ต่ำถูกสร้างขึ้นเพื่อลบสัญญาณที่อยู่เหนือเกณฑ์ที่น่าสนใจซึ่งจะมีสัญญาณ ECG เกณฑ์ดอกเบี้ยอยู่ระหว่าง 0 – 350Hz

ค่าตัวเก็บประจุถูกเลือกให้เป็น.1 ยูเอฟ ความต้านทานที่ต้องการคำนวณสำหรับความถี่ตัดสูง 335 Hz: C = 0.1 uF R = 1/(2pi*0.1*(10^-6)*335 Hz) = 4.75 kOhm (ใช้ 4.7 kOhm)

การเสียบค่าพาสซีฟและการจำลองบน LTSpice ด้วย AC Sweep และสัญญาณอินพุตที่เป็นคลื่นไซน์ 0.1 V ที่มีความถี่ AC 1 kHz ส่งผลให้เกิดพล็อตลางบอกเหตุที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 4: สร้างวงจรบนเขียงหั่นขนม

คุณจะต้องการ: ตัวต้านทานที่มีค่าต่างกัน, ตัวเก็บประจุที่มีค่าต่างกัน, แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน UA 471, สายจัมเปอร์, เขียงหั่นขนม, สายเชื่อมต่อ, แหล่งจ่ายไฟหรือแบตเตอรี่ 9 V

เมื่อคุณได้จำลองวงจรของคุณแล้ว ก็ถึงเวลาสร้างวงจรบนเขียงหั่นขนม หากคุณไม่มีค่าที่แน่นอน ให้ใช้สิ่งที่คุณมีหรือรวมตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเพื่อสร้างค่าที่คุณต้องการ อย่าลืมจ่ายไฟให้กับบอร์ดขนมปังของคุณโดยใช้แบตเตอรี่ 9 โวลต์หรือแหล่งจ่ายไฟ DC op amp แต่ละตัวต้องการแหล่งจ่ายแรงดันบวกและลบ

ขั้นตอนที่ 5: ตั้งค่า LabView Environment

คุณจะต้องมี: ซอฟต์แวร์ LabView, คอมพิวเตอร์

เพื่อให้การแสดงรูปคลื่นและการคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจเป็นแบบอัตโนมัติ LabView จึงถูกนำมาใช้ LabView เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการแสดงภาพและวิเคราะห์ข้อมูล เอาต์พุตของวงจร ECG เป็นอินพุตสำหรับ LabView ข้อมูลจะถูกป้อน สร้างกราฟ และวิเคราะห์ตามแผนภาพบล็อกที่ออกแบบด้านล่าง

ขั้นแรก DAQ Assistant รับสัญญาณแอนะล็อกจากวงจร คำแนะนำในการสุ่มตัวอย่างได้รับการตั้งค่าไว้ที่นี่ อัตราการสุ่มตัวอย่างคือ 1k ตัวอย่างต่อวินาที และช่วงเวลาคือ 3k ms ดังนั้นช่วงเวลาที่เห็นในกราฟรูปคลื่นคือ 3 วินาที กราฟรูปคลื่นได้รับข้อมูลจากผู้ช่วย DAQ จากนั้นจึงลงจุดในหน้าต่างแผงด้านหน้า ส่วนล่างของแผนภาพบล็อกประกอบด้วยการคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจ ขั้นแรกให้วัดสูงสุดและต่ำสุดของคลื่น จากนั้น การวัดแอมพลิจูดเหล่านี้จะใช้เพื่อกำหนดว่าพีคเกิดขึ้นซึ่งถูกกำหนดเป็น 95% ของแอมพลิจูดสูงสุดหรือไม่ และถ้าเป็นเช่นนั้น จุดเวลาจะถูกบันทึก เมื่อตรวจพบพีค แอมพลิจูดและจุดเวลาจะถูกเก็บไว้ในอาร์เรย์ จากนั้นจำนวนพีค/วินาทีจะถูกแปลงเป็นนาทีและแสดงที่แผงด้านหน้า แผงด้านหน้าแสดงรูปคลื่นและจังหวะต่อนาที

วงจรเชื่อมต่อกับ LabVIEW ผ่าน National Instruments ADC ดังแสดงในรูปด้านบน เครื่องกำเนิดฟังก์ชันสร้างสัญญาณ ECG จำลองซึ่งป้อนลงใน ADC ซึ่งถ่ายโอนข้อมูลไปยัง LabView เพื่อทำกราฟและวิเคราะห์ นอกจากนี้ เมื่อคำนวณ BPM ใน LabVIEW แล้ว ตัวบ่งชี้ตัวเลขก็ถูกใช้เพื่อพิมพ์ค่านั้นบนแผงด้านหน้าของแอปพลิเคชันข้างๆ กราฟรูปคลื่น ดังที่แสดงในรูปที่ 2

ขั้นตอนที่ 6: ทดสอบวงจรโดยใช้ตัวสร้างฟังก์ชัน

คุณจะต้องใช้: วงจรบนเขียงหั่นขนม, สายเชื่อมต่อ, แหล่งจ่ายไฟหรือแบตเตอรี่ 9 V, National Instruments ADC, ซอฟต์แวร์ LabView, คอมพิวเตอร์

ในการทดสอบเครื่องมือวัด LabView จะมีการป้อน ECG จำลองเข้ากับวงจร และเอาต์พุตของวงจรเชื่อมต่อกับ LabView ผ่าน National Instruments ADC ขั้นแรก สัญญาณ 20mVpp ที่ 1Hz ถูกป้อนเข้าสู่วงจรเพื่อจำลองการเต้นของหัวใจขณะพัก แผงด้านหน้าของ LabView แสดงในภาพด้านล่าง สามารถมองเห็น P, T, U wave และ QRS complex ได้ทั้งหมด BMP ได้รับการคำนวณอย่างถูกต้องและแสดงในตัวบ่งชี้ตัวเลข มีการเพิ่มขึ้นประมาณ 8 V/0.02 V = 400 ผ่านวงจร ซึ่งคล้ายกับที่เราเห็นเมื่อต่อวงจรเข้ากับออสซิลโลสโคป แนบรูปภาพผลลัพธ์ใน LabView ต่อไป เพื่อจำลองการเต้นของหัวใจที่เพิ่มขึ้น เช่น ระหว่างออกกำลังกาย สัญญาณ 20mVpp ที่ 2Hz ถูกป้อนเข้าสู่วงจร มีกำไรที่เทียบได้กับการทดสอบที่อัตราการเต้นของหัวใจขณะพัก ด้านล่างรูปคลื่นจะเห็นได้ว่ามีส่วนต่างๆ เหมือนเดิมทั้งหมดในอัตราที่เร็วขึ้น อัตราการเต้นของหัวใจคำนวณและแสดงในตัวบ่งชี้ตัวเลขและเราเห็น 120 BPM ที่คาดไว้

ขั้นตอนที่ 7: ทดสอบวงจรโดยใช้หัวเรื่องมนุษย์

คุณจะต้องมี: วงจรบนเขียงหั่นขนม, สายเชื่อมต่อ, แหล่งจ่ายไฟหรือแบตเตอรี่ 9 V, National Instruments ADC, ซอฟต์แวร์ LabView, คอมพิวเตอร์, อิเล็กโทรด (อย่างน้อยสาม), มนุษย์

สุดท้ายนี้ วงจรกำลังทดสอบกับ ECG ของมนุษย์นำอินพุตเข้าสู่วงจรและเอาต์พุตของวงจรที่เข้าสู่ LabView วางอิเล็กโทรดสามตัวบนวัตถุเพื่อรับสัญญาณจริง อิเล็กโทรดถูกวางไว้บนข้อมือทั้งสองและข้อเท้าขวา ข้อมือขวาเป็นอินพุตบวก ข้อมือซ้ายเป็นลบ และข้อเท้าเป็นพื้น อีกครั้ง ข้อมูลถูกป้อนเข้าสู่ LabView สำหรับการประมวลผล การกำหนดค่าอิเล็กโทรดถูกแนบเป็นรูปภาพ

ขั้นแรก สัญญาณ ECG ขณะพักของตัวอย่างถูกแสดงและวิเคราะห์ ขณะพัก ผู้ทดลองมีอัตราการเต้นของหัวใจประมาณ 75 ครั้งต่อนาที จากนั้นผู้ทดลองได้ทำกิจกรรมที่ต้องออกแรงอย่างหนักเป็นเวลา 5 นาที วัตถุถูกเชื่อมต่อใหม่และสัญญาณที่ยกขึ้นถูกบันทึก อัตราการเต้นของหัวใจอยู่ที่ประมาณ 137 bpm หลังทำกิจกรรม สัญญาณนี้มีขนาดเล็กลงและมีสัญญาณรบกวนมากกว่า อิเล็กโทรดถูกวางไว้บนข้อมือทั้งสองและข้อเท้าขวา ข้อมือขวาเป็นอินพุตบวก ข้อมือซ้ายเป็นลบ และข้อเท้าเป็นพื้น ข้อมูลถูกป้อนเข้าสู่ LabView เพื่อประมวลผลอีกครั้ง

คนทั่วไปมีสัญญาณ ECG ประมาณ 1mV กำไรที่คาดหวังของเราคือประมาณ 1,000 ดังนั้นเราคาดว่าแรงดันเอาต์พุตที่ 1V จากการบันทึกที่หยุดนิ่งที่เห็นในภาพ XX แอมพลิจูดของ QRS complex จะประมาณ (-0.7)- (-1.6) = 0.9 V ซึ่งทำให้เกิดข้อผิดพลาด 10% (1-0.9)/1*100 = 10% อัตราการเต้นของหัวใจขณะพักของมนุษย์มาตรฐานคือ 60 วัดได้ประมาณ 75 ซึ่งสร้าง |60-75|*100/60 = ข้อผิดพลาด 25% อัตราการเต้นของหัวใจที่เพิ่มขึ้นของมนุษย์มาตรฐานคือ 120 วัดได้ประมาณ 137 ซึ่งสร้าง | 120-137|*100/120 = ข้อผิดพลาด 15%

ยินดีด้วย! ตอนนี้คุณได้สร้าง ECG อัตโนมัติของคุณเองแล้ว